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 CULTURA :  scienza : Teorie di Unificazione in Fisica

 

TEORIE DI UNIFICAZIONE IN FISICA

 

 

Il sogno dei fisici

Tutto l'universo è tenuto insieme da quattro forze: forza gravitazionale, forza elettromagnetica, forza nucleare debole e forza nucleare forte. E' difficile costruire di getto una teoria unificata completa di tutto ciò che avviene nell'universo. Perciò sono state via via elaborate una serie di teorie parziali che descrivono una gamma limitata di fenomeni. I fisici sperano che un giorno sia possibile pervenire ad una teoria completa, coerente che includa tutte le teorie parziali. La ricerca di una tale teoria e nota come la unificazione della fisica. Oggi il tentativo più convincente per unificare tali forze, ma anche le particelle è la cosiddetta GUT (Grand Unified Theory), formulata nel 1979 da Glashow, Salam e Weinberg.

Einstein spese la maggior parte degli anni della maturità nella vana ricerca di una teoria unificata, ma il tempo non era ancora giunto esistevano teorie parziali per la gravità e per la forza elettromagnetica, ma sì sapeva ben poco sulle due forze nucleari. Inoltre Einstein si rifiutava di credere nella realtà della meccanica quantistica, nonostante il ruolo importante da lui svolto agli inizi nel suo sviluppo. Pare però che il principio di indeterminazione sia un ingrediente fondamentale dell' universo in cui viviamo. Una teoria unificata, per avere successo deve incorporare necessariamente tale principio. Oggi le prospettive di trovare una tale teoria sono migliori, anche se molto è ancora da scoprire.

 

La colla che tiene unito il mondo

Secondo la maggior parte dei fisici tutti i fenomeni che hanno luogo nell' universo si possono ricondurre alle quattro forze sopra citate. Due di esse, la gravitazionale e l'elettromagnetica, furono scoperte dalla fisica classica che sul finire del Seicento fu in grado di unificare le leggi di Keplero sui moti planetari e la fisica terrestre di Galilei nella legge di gravitazione di Newton. Nella seconda metà dell'Ottocento la teoria del campo elettromagnetico di Maxwell riuscì ad unificare le leggi sul magnetismo, sull' elettricità e sull'ottica. La terza e la quarta forza, battezzate interazione forte e debole furono introdotte dai fisici

nucleari nella prima metà del Novecento per spiegare i processi di radioattività beta (1934, Enrico Fermi) ed il legame che unisce i nucleoni, ossia protone e neutrone, nel formare il nucleo atomico (1935, Hideki Yukawa) Per arrivare a tali unificazioni gli scienziati hanno dovuto inquadrare fenomeni a prima vista lontanissimi come manifestazioni di uno stesso effetto: si pensi ad esempio all'enorme balzo concettuale compiuto da Newton quando si rese conto che la forza responsabile della caduta della famosa mela era la stessa che vincola i pianeti alle loro orbite. Einstein, come abbiamo già anticipato, che con la teoria della relatività unificò la geometria dello spazio-tempo con la teoria della gravitazione, dedicò gli ultimi trent'anni della sua vita al tentativo supremo di trovare una base teorica unificatrice per i vari rami della fisica, ma non raggiunse la meta, anche se a volte gli parve quasi di poterla toccare. Più recentemente il cosiddetto Modello Standard della fisica delle particelle è stato in grado di unificare l'elettromagnetismo e l'interazione debole (teoria di Glashow-Weinberg-Salam) e di fornire una descrizione, separata ma analoga, dell'interazione forte attraverso quella che Murray Gell-mann ha chiamato "cromodinamica quantistica" (QCD) Le quattro forze fondamentali sono molto differenti l'una dall' altra per quanto concerne la loro intensità ed il loro raggio d' azione, ma da un punto di vista teorico hanno in comune il modo in cui avviene l' interazione, vale a dire tramite lo scambio di particelle. Mentre si ha un' idea abbastanza chiara di come si possa arrivare all'unificazione delle forze elettromagnetiche, deboli e forti, l' unificazione di queste tre forze con quella gravitazionale appare molto più complessa.

Le quattro forze fondamentali agiscono tramite particelle: i fotoni trasmettono la forza elettromagnetica, i gravitoni (non ancora rivelati sperimentalmente) quella di gravità, i bosoni intermedi la forza debole ed i gluoni la forza forte. La teoria di Yukawa sull'interazione forte prevedeva che essa fosse trasmessa da particelle, i mesoni, in grado di legare protoni e neutroni nel nucleo. Studiando i raggi cosmici, vennero dapprima scoperte particelle che sembravano avere le caratteristiche previste da YUkawa, ma che interagivano con scarsa intensità su protoni e neutroni : i mesoni mu o muovi. Poi vennero scoperti i mesoni pi o pioni, che interagiscono fortemente e decadono in muoni. A tutte le particelle soggette all' interazione forte è stato dato il nome di adroni (dal greco hadros, forte). Sebbene la teoria di Yukawa si sia rivelata sostanzialmente valida per descrivere le interazioni forti a bassa energia, il fatto che gli adroni non siano particelle elementari, ma composti da quark, ha comportato la riformulazione della teoria ipotizzando particelle dette gluoni (dall' inglese glue, colla) che trasmettono l'interazione tra i quark all' interno degli adroni, Questi ultimi, come il protone ed il neutrone insieme alle altre particelle chiamate barioni, possono essere costituiti da tre quark; oppure, come i mesoni, da un quark ed un antiquark (l'equivalente del quark nel mondo dell'antimateria). La forza forte che lega i quark in un protone ed i quark in un altro protone è sufficientemente intensa per contrastare la forza elettromagnetica repulsiva tra protone e protone, permettendo che essi siano uniti nel nucleo: è la cosiddetta " interazione forte residua*` Oltre alla carica elettrica i quark hanno altre proprietà a cui gli scienziati hanno dato nomi fantasiosi, che non corrispondono a quelli del nostro comune modo di vedere le cose, ma che ci permettono di identificarli come se fossero caramelle Per esempio hanno distinto sei "sapori" : up, down, strange, charm, bottom, top cui corrispondono altrettanti tipi di quark; il pro torse è formato da due quark up ed uno down, mentre il neutrone da due down ed uno up. Viene poi la carica di colore, che può essere rossa, verde, blu, più i corrispondenti anticolori negli antiquark. Ogni barione è costituito da un quark blu, un quark rosso ed un quark verde in modo da risultare bianco, ossia privo di carica di colore. L'attrazione tra i diversi colori o tra colore ed antico/ore altro non è che l'interazione forte, trasmessa attraverso i gluoni, paragonabili a robuste corde elastiche dotate di un colore e di un anticolore.

 

Un acceleratore grande come la galassia

La prima teoria sull'interazione debole venne formulata da Enrico Fermi nel 1934 per spiegare il decadimento beta, l'emissione di elettroni o positroni da nuclei atomici radioattivi. Il decadimento del nucleo radioattivo veniva descritto come un neutrone che si trasforma in un protone emettendo un elettrone ed un antineutrino, poiché il protone è più leggero del neutrone, il processo inverso può essere provocato solo artificialmente, Faceva cosi la sua comparsa ufficiale il neutrino, particella teorizzata dal fisico tedesco Wolfgang Pauli che doveva avere carica nulla e massa nulla o molto piccola. Tutte le reazioni indotte da neutrini o in cui si producono neutrini sono dovute alle interazioni deboli, le sole cui essi siano sottoposti, Nel corso degli anni è stato osservato il decadimento di varie altre particelle soggette alla forza debole e, pur partendo dalle idee fondamentali di Fermi, la teoria si è modificata, aggiornata ed estesa nel cosiddetto modello Standard. In base adesso, i sei quark ed i sei leptoni conosciuti come (elettrone, muone, tao e rispettivi neutrini) hanno una certa probabilità di emettere o assorbire i bosoni intermedi W+, W- o Z0, che sono í portatori dell' interazione debole e che, dopo essere stati previsti teoricamente, furono scoperti da Carlo Rubbia (che ricevette il Nobel) al Cern di Ginevra nel 1983. Lo scambio delle particelle W che sono cariche comporta un cambiamento di carica e quindi la trasformazione di quark e leptoni : per esempio nel decadimento del neutrone lo scambio della particella W- (carica -1) converte un quark down (carica - 1/3) in un quark up (carica + 2/3), dando poi origine ad un elettrone (carica - 1) e ad un antineutrino elettronico (carica 0). In altri tipi di interazione debole dove la particella mediatrice è la Z0, che è neutra, quark e leptoni vengono spostati, ma non cambiano la /oro carica.

Nel mondo delle particelle elementari esistono vari tipi di simmetrie, a cominciare da quella che prevede per ogni particella l'esistenza di un' altra particella, dotata di massa identica alla prima, ma con carica elettrica opposta La simmetria particella-antiparticella viene realizzata attraverso un' operazione, chiamata coniugazione di carica (C), che scambia tra loro elettroni e positroni . Un altro tipo di simmetria si ottiene attraverso l'inversione di parità (P), che applica una riflessione speco/are ad un oggetto e lo ruota di 180° come uno specchio, ossia, che inverte alto-basso e sinistra-destra: ciò equivale ad invertire le direzioni delle particelle considerate. Un' altra simmetria e quella dovuta all' inversione del tempo (T). in altri termini la forma delle leggi fisiche del microcosmo resta invariata se il passato viene scambiato con il futuro, anche se a livello macroscopico l' evoluzione nel tempo della materia è irreversibile. Un altro tipo di simmetria è presente nel nucleo atomico e riguarda le interazioni forti, che restano invariate anche se si cambiano a rotazione le cariche elettriche dei mesoni p (p+, p0, p-). Mentre l'interazione elettromagnetica e quella forte rispettano le simmetrie delle trasformazioni C, P e T, l' interazione debole viola sia C che P; tuttavia se si compiono insieme l'inversione di parità e la coniugazione di carica la simmetria viene in buona parte ristabilita.

Il passo successivo all'unificazione elettrodebole è costituito dalle teorie di grande unificazione, che descrivono le interazioni forti e quelle elettrodeboli come manifestazioni diverse di un'unica forza fondamentale tra quark e leptoni. A prima vista sembrano esistere diversi ostacoli a tale unificazione: la diversa intensità delle forze, il diverso raggio d' azione ed il fatto che quark e leptoni hanno proprietà molto diverse (per esempio i quark sono soggetti alle interazioni forti, i leptoni no). Tuttavia, ad energie dell' ordine di 1016 GeV queste differenze dovrebbero scomparire e quark e leptoni dovrebbero diventare interscambiabili, attraverso l'azione di ipotetiche particelle X e Y in grado di trasmettere un' unica forza. Per avere un'idea dell' energia richiesta da questo tipo di unificazione, basti pensare che con la tecnologia attuale degli acceleratori di particelle ne sarebbe necessario uno di diametro quasi uguale a quello della nostra galassia. Il solo luogo dove tale energia è esistita era l'universo primordiale, quando per pochi istanti regnò una grande forza unificatrice. Però se davvero quark e leptoni fossero interscambiabili si avrebbe una conseguenza drammatica i/protone, che forma la vera materia dell'universo, risulterebbe instabile e potrebbe decadere. Di conseguenza l' universo si disgregherebbe progressivamente: è questa la previsione più affascinante delle teorie di grande unificazione.

Le teorie di unificazione delle forze sono state applicate alla cosmologia per descrivere l'evoluzione dell'uni verso a partire dal Big Bang, la grande esplosione di energia avvenuta circa 13-15 miliardi di anni fa, quando tutta la materia era concentrata in un solo punto ad una temperatura superiore ai 1034 K. Con il progressivo abbassarsi della temperatura si separarono le forze fondamentali ed ebbero origine le particelle elementari. inizialmente una zuppa indistinta di particelle ed antiparticelle molto pesanti, che continuamente si creavano ed annichilivano . In seguito comparvero quark e leptoni (con i rispettivi antiquark ed antileptoni), dapprima in grado di trasformarsi l'uno nell'altro attraverso lo scambio della particella X e successivamente sempre meno interscambiabili e soggetti a forze diverse, Ad un certo punto i quark up ed i quark down si unirono in triplette per formare protoni e neutroni che a loro volta si unirono nei primi nuclei atomici: erano passati circa 100 secondi dal Big Bang. Questo stato della materia chiamato plasma doveva durare 300000 anni, al termine dei quali si formarono i primi atomi stabili, in prevalenza idrogeno. La formazione degli atomi rese l' universo trasparente alla radiazione, che da quel momento si staccò dalla materia (per una descrizione più dettagliata di tali passaggi si vedano le pagine 179-182 del libro "Astrogeo" di Gimigliano e Gonnella)

 

Supergravità

Nonostante le grandi unificazioni delle teorie fisiche, í fisici non sono ancora giunti ad una sintesi che comprende la forza che da più tempo conosciamo, la forza gravitazionale. L'ultima unificazione in cui entra in gioco anche la forza gravitazionale prende il nome di supergravità, teoria oggetto di recenti studi da parte di affermati fisici quali S. Hawking. Nodo centrale della ricerca è la dimostrazione di come anche la forza di gravità sia solo un aspetto della forza universale di cui abbiamo trattato in precedenza.

A livelli energetici molto alti le quattro forze fondamentali si dovrebbero fondere in una sola, questa, secondo recenti teorie, doveva essere la condizione dei primi attimi del nostro universo: dal momento del Big Bang a 10–43 s dopo di esso sussistevano le condizioni tali da permettere la presenza della supergravità; infatti, l'intera massa dell'universo appena creato era confinata in un raggio pari a 10–50 cm con conseguenti livelli di densità e di energia immaginabili tali, secondo i fisici, da permettere l' unificazione di tutte e quattro le forze. Dopo 10–43 s il raggio dell' universo si ampliò fino a 10–45 cm quindi il livello energetico e la densità diminuirono quel tanto da permettere la separazione della forza di gravità dalle altre tre iniziando così l'epoca della grande unificazione che si ebbe tra 10–43 s e 10–35 s, dando inizio all'epoca dell' inflazione. Dopo 10–35 s anche queste ultime tre si separarono

La Supergravità a livello quantistico correggerebbe la teoria della Relatività Generale, in essa infatti si afferma che la forza di gravità sia nata dallo scambio di gravitoni (privi di massa, perché la gravità è una forza a lungo raggio d'azione ). La teoria della Supergravità ipotizza anche un ulteriore contributo donato dallo scambio di gravitino (con spin pari a 3/2) fatto che cambierebbe le caratteristiche di questa forza solo a livello microscopico e quindi non sarebbe riscontrabile nella vita quotidiana. Inoltre la teoria della Supergravità trova valido appoggio poiché è capace di rendere finito il calcolo esplicito di un processo fisico riguardante la teoria della Relatività Generale di Einstein noto per essere contaminato da diversi elementi infiniti, ma perché questa teoria abbia assoluta validità occorre una prova definitiva che tutti gli infiniti del processo si annullino; fatto che, per adesso, è ancora in fase di ricerca. La teoria della Supergravità ha comunque ancora molti problemi ad affermarsi nel mondo scientifico, molti ancora dubitano di essa ed alcuni ne hanno addirittura dichiarato la "morte" secondo importanti studiosi, tra i quali lo stesso Hawking, queste critiche sono esagerazioni: controversa o meno la Supergravità resta un'importante teoria ancora in fase di elaborazione.

 

Teoria delle supercorde ("string theories")

Nel 1984 vennero elaborate le cosiddette teorie delle corde. In tali teorie gli oggetti basilari non sono particelle che occupano un singolo punto nello spazio bensì cose che hanno una lunghezza ma nessuna altra dimensione, come un pezzo di filo infinitamente sottile. Queste corde possono avere dei capi (le cosiddette corde aperte)oppure possono essere congiunte con se stesse in cappi o anelli chiusi (corde chiuse) Una particella occupa in ogni istante del tempo un punto dello spazio. La sua storia può essere quindi rappresentata da una linea nello spazio­tempo, la linea d'universo. Una corda, d'altra parte, occupa una linea nello spazio in ogni momento del tempo. Perciò la sua storia nello spazio­tempo è una superficie bidimensionale chiamata il foglio d'universo. Il foglio d'universo di una corda aperta è una striscia ; i suoi margini rappresentano le traiettorie attraverso lo spazio-tempo degli estremi della corda. Il foglio d'universo di una corda chiusa è un cilindro o tubo, una sezione del tubo è un cerchio, che rappresenta la posizione della corda in un tempo particolare. Due corde possono unirsi a formare una corda singola; nel caso di corde aperte esse si uniscono semplicemente ad un capo, mentre nel caso di corde chiuse si ha un tipo di sutura che ricorda il modo in cui si uniscono le due gambe di un paio di pantaloni.

Similmente una singola corda può dividersi in due corde. Nelle teorie delle corde quelle che in precedenza erano concepite come particelle sono raffigurate oggi come onde che si propagano /ungo la corda, come onde sul filo vibrante di un aquilone. L'emissione o assorbimento di una particella da parte di un 'altra corrisponde alla divisione o alla congiunzione di corde. La teoria delle corde ha una storia curiosa. Essa fu inventata in origine verso la fine degli anni Sessanta nel tentativo di trovare una teoria che descrivesse la forza forte. L'idea era che particelle simili al protone e al neutrone potessero essere considerate come onde su una corda. Le forze forti fra le particelle dovevano corrispondere a pezzi di corda che univano altri pezzi di corda con un intreccio simile al gioco di fili in una tela di ragno.

Tuttavia le teorie delle corde presentano un grande problema: esse sembrano consistenti solo se lo spazio-tempo ha dieci o venti dimensioni in luogo delle solite quattro. Dimensioni extra dello spazio-tempo sono un luogo comune della fantascienza, in caso contrario l'impossibilità di viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce comporterebbe dispendi eccessivi nei viaggi interstellari ed intergalattici. L'idea della fantascienza è che sia forse possibile prendere scorciatoie passando per dimensioni superiori.

 

Conclusioni

Non è facile ipotecare il futuro per cercare di prevedere quanto sopravvivrà delle attuali teorie sui costituenti elementari della materia. La fisica delle particelle in rapida evoluzione si aggiorna continuamente con esperienze sempre più grandiose e con risultati sempre più soddisfacenti. Indubbiamente esistono molte zone buie e numerosi problemi aperti che la fantasia dei fisici cerca di chiarire con ipotesi più o meno valide in attesa che la fisica delle alte energie confermi teorie e modelli che forse non sono abbastanza insoliti da essere corretti. Oggi come oggi molte domande sono ancora senza risposta:

·        i fisici potranno arrivare ad unificare tutte le forze della natura?

·        esiste una theory of everything, una teoria del tutto, onnicomprensiva, semplice ed elegante?

·        la scienza dovrà fermarsi ad una estrema frontiera del tempo o potrà spingersi fino all'istante zero connesso con la nascita del/'universo?

I problemi sollevati sono certamente più numerosi delle risposte in grado di spiegare i misteri della natura: questo fa parte del progresso scientifico e dell'avventura umana. Per quanto concerne i fascinosi quark è opinione diffusa che sebbene tali unità di materia siano restie a manifestarsi in modo tangibile esistono dentro gli adroni certi oggetti i cui connotati corrispondono perfettamente ai personaggi del modello a quark considerato ormai un modello standard. Un motivo di grande soddisfazione è constatare che nel campo delle particelle i fisici italiani sono sempre presenti con risulta ti di risonanza mondiale.

Per concludere riportiamo come l l'eminente fisico teorico V.F. Weisskopf riassume l'attuale stato riguardante la fisica delle alte energie:

"Stiamo esplorando modalità sconosciute di comportamento della materia in condizioni del tutto nuove. Questo campo della fisica dà tutta l' emozione delle nuove scoperte in una terra vergine, ricca di tesori nascosti: i fatti sperimentali ci permetteranno finalmente di penetrare nella struttura della materia. Occorrerà un certo tempo prima di riuscire a tracciare una carta razionale di questa nuova terra".

 

 

 


 

Fonte :  http://www.fmboschetto.it/lavori_studenti/Fisica_Moderna_2003/Teorie_di_unificazione.htm